磁盘存储管理优秀PPT.ppt

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1、磁盘存储管理磁盘存储管理现在学习的是第1页,共57页9.1 9.1 磁盘磁盘I/OI/O磁盘磁盘I/O速度的高低,将直接影响文件系统速度的高低,将直接影响文件系统的性能。的性能。提高磁盘提高磁盘I/O速度的主要途径:速度的主要途径:选择性能好的磁盘选择性能好的磁盘采用好的磁盘调度算法采用好的磁盘调度算法设置磁盘高速缓冲区设置磁盘高速缓冲区现在学习的是第2页,共57页直接(随机)存取设备:存取磁盘上任一物理块的时间不依赖直接(随机)存取设备:存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置。于该物理块所处的位置。一、数据的组织一、数据的组织信息记录在磁道上,多个盘片,正反两面都用来记录信息,

2、信息记录在磁道上,多个盘片,正反两面都用来记录信息,每面一个磁头每面一个磁头,所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面。磁道由若干个扇区组成,每个扇区的大小相成一个柱面。磁道由若干个扇区组成,每个扇区的大小相当于一个盘块。当于一个盘块。物理地址形式:物理地址形式:磁头号(盘面号)磁头号(盘面号)磁道号(柱面号)磁道号(柱面号)扇区号扇区号9.1.1 9.1.1 磁盘性能简述磁盘性能简述现在学习的是第3页,共57页磁道磁道扇区扇区现在学习的是第4页,共57页柱面柱面扇区扇区磁臂磁臂磁头磁头现在学习的是第5页,共57页二、磁盘的类型二、磁盘的类型固定头

3、磁盘:每个磁道设置一个磁头,变换磁道时不需要固定头磁盘:每个磁道设置一个磁头,变换磁道时不需要磁头的机械移动,速度快但成本高磁头的机械移动,速度快但成本高移动头磁盘:一个盘面只有一个磁头,变换磁道时需要移动头磁盘:一个盘面只有一个磁头,变换磁道时需要移动磁头,速度慢但成本低移动磁头,速度慢但成本低 磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成,实际存取读磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成,实际存取读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成的。的。一次访盘请求:一次访盘请求:读读/写,磁盘地址(设备号,柱面号,磁头号,扇区号),写,磁盘地址(设备

4、号,柱面号,磁头号,扇区号),内存地址(源内存地址(源/目)目)9.1.1 9.1.1 磁盘性能简述磁盘性能简述现在学习的是第6页,共57页磁盘访问时间包括以下三个部分:磁盘访问时间包括以下三个部分:l寻道时间寻道时间TSTS:磁头移动定位到指定磁道。:磁头移动定位到指定磁道。10-40ms10-40msTS=m*n+s TS=m*n+s(m m:常数,:常数,n:n:移动的磁道数,移动的磁道数,s:s:磁盘启磁盘启动时间)动时间)l旋转延迟时间旋转延迟时间TRTR:等待指定扇区旋转到磁头下。:等待指定扇区旋转到磁头下。硬盘平均硬盘平均8.3ms,8.3ms,软盘平均软盘平均50-100ms5

5、0-100msl数据传输时间数据传输时间TTTT:数据在磁盘与内存之间的实际:数据在磁盘与内存之间的实际传输。传输。TT=b/(r*N)(b:TT=b/(r*N)(b:读写字节数读写字节数 r:r:磁盘转速磁盘转速 N:N:一个磁道上的字节数)一个磁道上的字节数)分析:提高分析:提高I/OI/O效率的关键是什么?效率的关键是什么?9.1.1 9.1.1 磁盘性能简述磁盘性能简述现在学习的是第7页,共57页设计文件系统时应尽可能减少磁盘访问次数设计文件系统时应尽可能减少磁盘访问次数块高速缓存块高速缓存 系统在内存中保存一些块,逻辑上它们属于磁盘,检查系统在内存中保存一些块,逻辑上它们属于磁盘,检

6、查所有的读请求,看所需的块是否在高速缓存中。如果在,所有的读请求,看所需的块是否在高速缓存中。如果在,则可直接进行读操作。否则,首先要将块读到高速缓存,则可直接进行读操作。否则,首先要将块读到高速缓存,再拷贝到所需的地方,如果高速缓存已满,则需要进行再拷贝到所需的地方,如果高速缓存已满,则需要进行淘汰淘汰合理分配磁盘空间合理分配磁盘空间 分配块时,把有可能顺序存取的块放在一起,最好分配块时,把有可能顺序存取的块放在一起,最好在同一柱面上,从而减少磁盘臂的移动次数在同一柱面上,从而减少磁盘臂的移动次数好的磁盘调度算法好的磁盘调度算法9.1.1 9.1.1 磁盘性能简述磁盘性能简述现在学习的是第8

7、页,共57页9.1.2 9.1.2 早期的磁盘调度算法早期的磁盘调度算法磁盘调度:磁盘调度:当多个访盘请求在等待时,采用一定的策略,对这些请当多个访盘请求在等待时,采用一定的策略,对这些请求的服务顺序调整安排,旨在降低平均磁盘服务时间,达求的服务顺序调整安排,旨在降低平均磁盘服务时间,达到公平、高效到公平、高效公平:一个公平:一个I/OI/O请求在有限时间内满足请求在有限时间内满足高效:减少设备机械运动所带来的时间浪费高效:减少设备机械运动所带来的时间浪费,主要是使磁盘的平均寻道时间最短。,主要是使磁盘的平均寻道时间最短。现在学习的是第9页,共57页一、先一、先来先服务:按访问请求到达的先后次

8、序服务。来先服务:按访问请求到达的先后次序服务。优点:简单,公平;优点:简单,公平;缺点:效率不高,相临两次请求可能会造成最内到最缺点:效率不高,相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道,使磁头反复移动,增加了服务时间,外的柱面寻道,使磁头反复移动,增加了服务时间,对机械也不利。对机械也不利。例:假设磁盘访问序列:例:假设磁盘访问序列:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,6767读写头起始位置:读写头起始位置:5353安排磁头服务序列,计算磁头移动总距离(道数)安排磁头服务序列,计算磁头移动总距离(道数)9.1.2 9.1.2 早期的磁盘调度算法

9、早期的磁盘调度算法现在学习的是第10页,共57页5353:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,67 67 总总=640=640先先来来先先服服务务现在学习的是第11页,共57页二、二、最短寻道时间优先:优先选择距当前磁头最近的访问最短寻道时间优先:优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务,主要考虑寻道优先。请求进行服务,主要考虑寻道优先。优点:改善了磁盘平均服务时间;优点:改善了磁盘平均服务时间;缺点:造成某些访问请求长期等待得不到服务。缺点:造成某些访问请求长期等待得不到服务。9.1.2 9.1.2 早期的磁盘调度算法早期的磁盘调度算法现在学习的

10、是第12页,共57页5353:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,67 67 总总=236=236最最短短寻寻道道时时间间优优先先现在学习的是第13页,共57页一、扫描算法(电梯算法)一、扫描算法(电梯算法)克服了最短寻道优先的缺点,既考虑了克服了最短寻道优先的缺点,既考虑了距离,同时又考虑了方向距离,同时又考虑了方向 具体做法:当设备无访问请求时,磁头具体做法:当设备无访问请求时,磁头不动;当有访问请求时,磁头按一个方不动;当有访问请求时,磁头按一个方向移动,在移动过程中对遇到的访问请向移动,在移动过程中对遇到的访问请求进行服务,然后判断该方向上

11、是否还求进行服务,然后判断该方向上是否还有访问请求,如果有则继续扫描;否则有访问请求,如果有则继续扫描;否则改变移动方向,并为经过的访问请求服改变移动方向,并为经过的访问请求服务,如此反复务,如此反复9.1.3 9.1.3 各种扫描算法各种扫描算法现在学习的是第14页,共57页现在学习的是第15页,共57页5353:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,67 67 总总=208=208本本例例所所示示的的当当前前移移动动方方向向为为向向磁磁道道号号减减少少的的方方向向电电梯梯算算法法现在学习的是第16页,共57页二、循环扫描算法二、循环扫描算法循环扫

12、描法也称单向扫描,规定磁头单向移动。例如:它对请求者的服务总是每次从柱面号开始,然后移动至最大柱面。遇着访问进行服务。一次完后,磁头再返回号柱面,又重复上述步骤。9.1.3 9.1.3 各种扫描算法各种扫描算法现在学习的是第17页,共57页现在学习的是第18页,共57页例:假设磁盘访问序列:例:假设磁盘访问序列:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,6767读写头起始位置:读写头起始位置:53,53,移动方向是移动方向是向磁道号向磁道号增加增加的方向的方向循环扫描算法:循环扫描算法:访问序列:访问序列:53,65,67,98,122,124,183,

13、14,37总移动距离总移动距离=3229.1.3 9.1.3 各种扫描算法各种扫描算法现在学习的是第19页,共57页三、三、N步扫描和FSCAN算法 引入目的:避免磁臂粘连。引入目的:避免磁臂粘连。N N步步扫扫描描:将将磁磁盘盘请请求求队队列列分分成成若若干干个个长长度度为为N N的的子子队队列列,磁磁盘盘调调度度将将按按FCFSFCFS算算法法依依次次处处理理这这些些子子队队列列,对每个队列的处理用对每个队列的处理用SCANSCAN方法。方法。注意:注意:N N的选取。的选取。FSCANFSCAN算算法法:两两个个队队列列,一一是是当当前前请请求求I/OI/O的的磁磁盘盘请请求求队队列列,

14、二二是是在在扫扫描描期期间间新新出出现现的的所所有有磁磁盘盘请请求求组组成成的的队队列列。这这样样,所所有有新新到到达达的访问请求本次不予访问,留待下次再服务。的访问请求本次不予访问,留待下次再服务。9.1.3 9.1.3 各种扫描算法各种扫描算法现在学习的是第20页,共57页FSCANFSCAN算法示意图算法示意图现在学习的是第21页,共57页例:假设磁盘访问序列:例:假设磁盘访问序列:9898,183183,3737,122122,1414,124124,6565,67 67 新出现:新出现:4545,7 7,3030读写头起始位置:读写头起始位置:53 53 当前移动方向为当前移动方向为

15、向磁道号向磁道号增加增加的方向的方向N N步扫描(步扫描(N=3)N=3):分组序列:分组序列:(98,183,37)(98,183,37),(122(122,1414,124)124),(65(65,67,45)67,45),(,(7 7,3030)访问序列:访问序列:(98,183,37)(98,183,37),(14(14,122122,124)124),(67(67,65,45)65,45),(3030,7 7)总移动距离总移动距离=?=?FSCANFSCAN算法:算法:访问序列访问序列 (6565,6767,9898,122122,124124,183183,3737,1414)(7

16、 7,3030,45 45)总移动距离总移动距离=?=?9.1.3 9.1.3 各种扫描算法各种扫描算法526344现在学习的是第22页,共57页9.2 9.2 外存分配算法外存分配算法文件的物理结构:文件的物理结构:又称为文件的存储结构,是指文件在又称为文件的存储结构,是指文件在外存上的存储组织形式,于存储介质的外存上的存储组织形式,于存储介质的特性有关。特性有关。类型:类型:顺序结构(顺序分配)顺序结构(顺序分配)链接结构(链接分配)链接结构(链接分配)索引结构(索引分配)索引结构(索引分配)现在学习的是第23页,共57页9.2.1 9.2.1 连续分配连续分配 一个文件的信息存放在若干连

17、续的物理块中一个文件的信息存放在若干连续的物理块中 优点:简单简单 支持顺序存取和随机存取支持顺序存取和随机存取 顺序存取速度快顺序存取速度快 所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少 缺点:A A 文件不能动态增长文件不能动态增长 预留空间预留空间:浪费浪费 重新分配和移动重新分配和移动 B B 不利于文件插入和删除不利于文件插入和删除 C C 外部碎片问题外部碎片问题:存储压缩技术存储压缩技术现在学习的是第24页,共57页012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名文件名 始址始址 块数块数cou

18、nt 0 2tr 14 3mail 19 6list 28 4f 6 2 文件目录文件目录countftrmaillist现在学习的是第25页,共57页9.2.2 9.2.2 链接分配链接分配一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中,各块一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中,各块之间通过指针连接,前一个物理块指向下一个物理块。之间通过指针连接,前一个物理块指向下一个物理块。优点:优点:提高了磁盘空间利用率提高了磁盘空间利用率,不存在外部碎片问题不存在外部碎片问题;有利于文件插入和删除有利于文件插入和删除;有利于文件动态扩充。有利于文件动态扩充。链接方式分为链接方式分为:隐式链接隐式链接显式

19、链接显式链接 现在学习的是第26页,共57页一、隐式链接一、隐式链接在文件目录的每个目录项中,都须含有链接文件第一个在文件目录的每个目录项中,都须含有链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针。盘块和最后一个盘块的指针。缺点:缺点:存取速度慢,不适于随机存取存取速度慢,不适于随机存取 可靠性问题,如指针出错可靠性问题,如指针出错 更多的寻道次数和寻道时间更多的寻道次数和寻道时间 链接指针占用一定的空间链接指针占用一定的空间改进:改进:将几个盘块组成一个簇,以簇为单位分配盘块,将几个盘块组成一个簇,以簇为单位分配盘块,文件的每一个元素也以簇为单位。文件的每一个元素也以簇为单位。9.2.2 9.2.2

20、 链接分配链接分配现在学习的是第27页,共57页文件名文件名 始址始址 末址末址jeep 9 25文件目录文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125现在学习的是第28页,共57页二、显式链接二、显式链接整个磁盘设置一张链接表(整个磁盘设置一张链接表(FAT),每个,每个文件的文件的FCB表的表的“物理地址物理地址”中存放链首中存放链首指针。指针。优点:减少访盘次数,提高检索速度。优点:减少访盘次数,提高检索速度。9.2.2 9.2.2 链接分配链接分配现在学习的是第29页,共57页文件卷中的每个簇均对应

21、一个文件卷中的每个簇均对应一个FATFAT表项,表项,文件分配采用链式分配方法。文件分配采用链式分配方法。MS-DOS FAT 现在学习的是第30页,共57页9.2.3 9.2.3 索引分配索引分配 一个文件的信息存放在若干不连续物理块中,系统为每一个文件的信息存放在若干不连续物理块中,系统为每个文件建立一个专用数据结构个文件建立一个专用数据结构-索引表,并将这些块的块索引表,并将这些块的块号存放在一个索引表中。号存放在一个索引表中。一个索引表就是磁盘块地址数组一个索引表就是磁盘块地址数组,其中第其中第i i个条目指向文件的第个条目指向文件的第i i块。块。优点:优点:保持了链接结构的优点保持

22、了链接结构的优点,又解决了其缺点,即能顺序存又解决了其缺点,即能顺序存取取,又能随机存取,满足了文件动态增长、插入删除的要又能随机存取,满足了文件动态增长、插入删除的要求,也能充分利用外存空间求,也能充分利用外存空间缺点:缺点:较多的寻道次数和寻道时间较多的寻道次数和寻道时间 索引表本身带来了系统开销索引表本身带来了系统开销 如:内外存空间,存取时间如:内外存空间,存取时间现在学习的是第31页,共57页012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名文件名 索引表地址索引表地址文件目录文件目录Jeep 19 916 11025-

23、1-1-119现在学习的是第32页,共57页当索引表较大时,有如下几种组织方式:当索引表较大时,有如下几种组织方式:链接模式链接模式:一个盘块一个索引表一个盘块一个索引表,多个索引表链接起多个索引表链接起来来多级索引多级索引:将一个大文件的所有索引表(二级索引将一个大文件的所有索引表(二级索引)的地址放在另一个索引表(一级索引的地址放在另一个索引表(一级索引)中中混合模式混合模式:UNIXUNIX文件系统采用的是多级索引结构文件系统采用的是多级索引结构(综综合模式合模式)。每个文件的索引表为。每个文件的索引表为1313个索引项,每项个索引项,每项4 4个字节。最前面个字节。最前面1010项直接

24、登记存放文件信息的物项直接登记存放文件信息的物理块号(直接寻址)理块号(直接寻址)9.2.3 9.2.3 索引分配索引分配现在学习的是第33页,共57页混合分配混合分配(假定每个盘块大小为假定每个盘块大小为4KB):1.直接地址直接地址:当文件不大于当文件不大于40KB时,可直时,可直接从索引结点中读出全部盘块号。接从索引结点中读出全部盘块号。2.一次间接地址一次间接地址iaddr(10):允许文件长达允许文件长达4MB3.多次间接地址:多次间接地址:Iaddr(11):两次两次,4GBIaddr(12):三次三次,4TB9.2.3 9.2.3 索引分配索引分配现在学习的是第34页,共57页现

25、在学习的是第35页,共57页现在学习的是第36页,共57页9.3 9.3 空闲存储空间的管理空闲存储空间的管理9.3.1空闲表法空闲表法9.3.2空闲链表法空闲链表法9.3.3位示图法位示图法9.3.4成组链接法成组链接法现在学习的是第37页,共57页9.3.1 9.3.1 空闲表法空闲表法将所有空闲块记录在一个表中,即空闲将所有空闲块记录在一个表中,即空闲盘块表(盘块表(示意图示意图)特点特点:数据结构数据结构:空闲盘块表空闲盘块表(序号序号,第一空闲盘块号第一空闲盘块号,空闲盘空闲盘块数块数)连续分配连续分配,分配和回收与内存管理的动态分区分配方法分配和回收与内存管理的动态分区分配方法类似

26、类似分配速度快分配速度快,可减少访盘频率可减少访盘频率,用于小文件的分配和对用于小文件的分配和对换空间的管理换空间的管理现在学习的是第38页,共57页序号第一空闲盘块号空闲盘块数12429331554-返回返回空闲盘块表空闲盘块表现在学习的是第39页,共57页9.3.2 9.3.2 空闲链表法空闲链表法把所有空闲盘块链成一个空闲链把所有空闲盘块链成一个空闲链,根据根据构成链的基本元素构成链的基本元素不同不同,可有两种链表形式可有两种链表形式:空闲盘块链空闲盘块链:基本元素为盘块。基本元素为盘块。优点:分配回收过程简单优点:分配回收过程简单缺点:空闲盘块链可能很长缺点:空闲盘块链可能很长空闲盘区

27、链:基本元素为盘区(可包含若干个盘块)空闲盘区链:基本元素为盘区(可包含若干个盘块)特点:分配回收与动态分区类似特点:分配回收与动态分区类似说明:可用显式链接方式提高检索速度说明:可用显式链接方式提高检索速度现在学习的是第40页,共57页9.3.3 9.3.3 位示图法位示图法1.1.位示图位示图用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况,每个物每个物理块对应一位理块对应一位,分配物理块为分配物理块为1 1,否则为,否则为0 0。磁盘上的所。磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应,由所有盘块所对应有盘块都有一个二进制位与之对应,由所有盘块所对应的位组成的

28、集合,称为位示图。的位组成的集合,称为位示图。Var map:array1m,1n of bitVar map:array1m,1n of bit优点:占用空间少,优点:占用空间少,描述能力强,适合各种物理结构描述能力强,适合各种物理结构现在学习的是第41页,共57页2.盘块的分配盘块的分配(1 1)顺序扫描顺序扫描位示图,查找为位示图,查找为0 0的一个或一组二进制位的一个或一组二进制位(2 2)返回对应盘块号。)返回对应盘块号。假设位于位示图的第假设位于位示图的第i i行,第行,第j j列,对应列,对应的盘块为的盘块为 b=n(i-1)+j(n b=n(i-1)+j(n为每行的位数)为每行

29、的位数)(3 3)修改位示图)修改位示图 mapi,j=1 mapi,j=13.盘块的回收盘块的回收(1 1)将回收盘块号)将回收盘块号b b转换成行号转换成行号i i和列号和列号j j i=(b-1)DIV n+1;j=(b-1)MOD n+1 i=(b-1)DIV n+1;j=(b-1)MOD n+1(2 2)修改位示图)修改位示图 :mapi,j=0mapi,j=09.3.3 9.3.3 位示图法位示图法现在学习的是第42页,共57页已知块号,则磁盘地址:已知块号,则磁盘地址:柱面号柱面号块号块号/(磁头数(磁头数扇区数)扇区数)磁头号磁头号(块号(块号mod(磁头数(磁头数扇区数)扇区

30、数)/扇扇区数区数扇区号(块号扇区号(块号mod(磁头数(磁头数扇区数)扇区数)mod扇区数扇区数已知磁盘地址:已知磁盘地址:块号柱面号块号柱面号(磁头数(磁头数扇区数)磁头扇区数)磁头号号扇区数扇区号扇区数扇区号9.3.3 9.3.3 位示图法位示图法现在学习的是第43页,共57页9.3.4 9.3.4 成组链接法成组链接法磁盘文件卷结构磁盘文件卷结构:超级块:描述文件系统的状态,包括磁盘空闲块栈,空闲超级块:描述文件系统的状态,包括磁盘空闲块栈,空闲i结结点栈点栈i节点(节点(inode list):存放文件说明信息,每项):存放文件说明信息,每项64字节字节目录文件:每个目录项目录文件:

31、每个目录项16字节。文件名区分大小写。字节。文件名区分大小写。文件分配:直接索引,一级、二级、三级间接索引文件分配:直接索引,一级、二级、三级间接索引现在学习的是第44页,共57页空闲块成组链接,建立空闲块专用栈,空闲块成组链接,建立空闲块专用栈,空闲块分配时按组进行,一组的空闲块空闲块分配时按组进行,一组的空闲块分配完了,再使用下一组;回收时次序分配完了,再使用下一组;回收时次序相反,入栈一组空闲块后,够成一组。相反,入栈一组空闲块后,够成一组。这种方法兼备了空闲空间表法和空闲块这种方法兼备了空闲空间表法和空闲块链接法的优点,链接法的优点,UNIX系统使用这种空闲系统使用这种空闲块管理策略。

32、块管理策略。9.3.4 9.3.4 成组链接法成组链接法现在学习的是第45页,共57页s-nfree空闲块数空闲块数;s_free100空闲块块号空闲块块号;s_flock锁位锁位9.3.4 9.3.4 成组链接法成组链接法现在学习的是第46页,共57页下面演示分配过程的例子下面演示分配过程的例子当前空闲块栈中还有两块未分配当前空闲块栈中还有两块未分配9.3.4 9.3.4 成组链接法成组链接法现在学习的是第47页,共57页s_nfree=2300299012s_free99100400399301299#300#100500499401400#.990799970017900#399#301

33、#.7999#7001#现在学习的是第48页,共57页s_nfree=130001s_free99100400399301分配分配299#300#100500499401400#.990799970017900#399#301#.7999#7001#现在学习的是第49页,共57页s_nfree=03000s_free99100400399301100500499401400#.990799970017900#399#301#.7999#7001#300#分配分配现在学习的是第50页,共57页s_nfree=1004003993010199100500499401400#.99079997001

34、7900#399#301#.7999#7001#s_free300#分配分配现在学习的是第51页,共57页下面演示回收过程的例子下面演示回收过程的例子当前空闲块栈中有当前空闲块栈中有99个空闲块个空闲块9.3.4 9.3.4 成组链接法成组链接法现在学习的是第52页,共57页s_nfree=99460299 3500129899100700899601299#460#10050670994010700#.990799910506#899#601#.799#910#s_free350#现在学习的是第53页,共57页s_nfree=99460299 350012989910070089960129

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